Luftfahrt

Bis 2025 soll sich der Flugverkehr verdoppeln. Damit er dann nicht zum »Klimakiller« wird, reizen die Ingenieure jede Möglichkeit zur Reduzierung der Schadstoffe aus. Die interessanteste Idee: das neue Triebwerk »CLEAN«. Wegen seines geringen Spritverbrauchs kommt es auf Abgaswerte, die bisher unerreichbar schienen. Ein echter Fortschritt auf dem Weg zum »grünen« Triebwerk

Top-Geheimnis bei Boeing: In der Nähe von Seattle testet der US-Konzern ein Flugzeug, das überhaupt kein Kerosin mehr braucht und auch keine Emissionen erzeugt – nur ein wenig Wasser. Ist das die ultimative Geheimwaffe gegen den Rivalen Airbus? Hat Boeing das Öko-Flugzeug erfunden? Ganz so weit ist es leider noch nicht. Dieses Flugzeug gibt es zwar, aber es ist kein Airliner für den Luftverkehr, sondern nur ein einsitziges Kleinflugzeug – elektrisch angetrieben von einer Brennstoffzelle mit ganzen 25 Kilowatt (33 PS) Leistung. Damit will Boeing lediglich beweisen, dass man mit dieser Technologie überhaupt fliegen kann.

Null Kerosin, null Schadstoffe: Das »grüne Flugzeug« ist, seit es so etwas wie ein Umweltbewusstsein gibt, ein hehres Ziel der Ingenieure. Und seit es die Brennstoffzelle gibt, ist der elektrische Antrieb von Flugzeugen überhaupt erst in den Bereich des technisch Denkbaren gerückt. Wie weit der Weg zur realen Umsetzung sein wird und ob er letztlich wirklich zum Ziel führen kann, ist unter Experten jedoch umstritten. Gleichwohl gehen die Versuche weiter – denn der Luftverkehr steht wegen seiner Emissionen im Kreuzfeuer der Kritik.

Es geht dabei vor allem um Stickoxide, Kohlendioxid und Wasserdampf, die bei der Verbrennung des Kerosins in den Triebwerken entstehen. Die Meinungen darüber, in welchem Maß diese Emissionen zur Klimaänderung beitragen, gehen auch unter Wissenschaftlern noch weit auseinander. Umweltschützer prangern den Luftverkehr als »Klimakiller« an. Andere Experten sind etwas vorsichtiger und sehen nur einen relativ geringen schädlichen Einfluss auf den Treibhauseffekt. Einer der weltweit renommiertesten Experten in Sachen Luftfahrt-Emissionen ist Professor Dr. Ulrich Schumann, Direktor des Instituts für Physik der Atmosphäre des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Er meint: »Der durch die Gesamtheit der Emissionen des Luftverkehrs bewirkte Anstieg des globalen Treibhauseffekts ist klein; er beträgt etwa drei bis vier Prozent aller durch menschliche Aktivitäten verursachten Emissionen seit Mitte des letzten Jahrhunderts.« Doch der Wissenschaftler weist auch darauf hin, dass indirekte Effekte, zum Beispiel die Wasserdampf-Kondensstreifen, das Klima deutlich stärker beeinflussen.

Die Zusammenhänge, so Schumann, seien sehr kompliziert. So würden die Stickoxide in den Flugzeugabgasen den Ozongehalt in geringen und in großen Höhen der Atmosphäre nur unwesentlich steigern. Und das führe zu einem überraschenden positiven Effekt: Dieses Mehr an Ozon würde den Abbau des besonders gefährlichen Treibhausgases Methan beschleunigen. »Dadurch wird die globale Klimastörung durch die Stickoxide aus dem Luftverkehr um einen Faktor zwei bis vier vermindert«, meint Schumann.

Sind also die Treibhauseffekte des Luftverkehrs so gering, dass man sich darüber gar nicht aufzuregen braucht? So weit geht Schumann nicht. Das größte Risiko sieht er im ständigen Wachstum des Luftverkehrs, der sich nach allen vorliegenden Prognosen innerhalb der nächs-ten zwanzig Jahre verdoppeln wird. Dann würden auch die Einflüsse der Emissionen auf das Klima stärker. Und das, obwohl es bereits gelungen ist, den Anstieg der Abgasmenge vom Wachstum des Luftverkehrs zu entkoppeln. So stieg bei der Lufthansa der Verkehr seit 1991 zwar um 192 Prozent an – der Treibstoffverbrauch und damit die Kohlendioxid-Emissionen aber »nur« um 90 Prozent.

Denn der Durchschnittsverbrauch der Lufthansa-Flotte liegt zurzeit bei sparsamen 4,3 Litern pro Passagier und 100 Kilometer, und moderne Passagierjets wie der Airbus A340-600 schlucken gerade mal 3,3 Liter. Künftige Verkehrsflugzeuge, etwa der Airbus A380 oder die Boeing 7E7, werden sogar noch deutlich unter diesen Werten liegen.

Doch mit der bisher erreichten Reduzierung von Emissionen und Treibstoffverbrauch geben sich die Airlines nicht zufrieden. Denn der öffentliche Druck wird immer stärker. Nachdem die Airliner bereits durch aerodynamische Verbesserungen umweltfreundlicher fliegen, sind jetzt vor allem die Triebwerksproduzenten gefragt, für eine weitere Reduzierung des Verbrauchs zu sorgen. Der Wettstreit unter den großen Herstellern General Electric und Pratt & Whitney in den USA sowie Rolls-Royce in Großbritannien um den saubersten Antrieb ist inzwischen voll entbrannt. Dieser Kampf gilt dem grünen Triebwerk, und er wird an verschiedenen Fronten geführt – je nachdem, um welche Emissionsart es sich handelt.

Besonders problematisch für den Treibhauseffekt ist das Kohlendioxid, denn es bleibt sehr lange in der Atmosphäre. Manchmal mehr als hundert Jahre, sodass sich seine Wirkung erst in ferner Zukunft zeigt. Die einzige Möglichkeit, den Ausstoß von Kohlendioxid zu vermindern, besteht darin, den Verbrauch zu reduzieren. Und das trifft sich natürlich mit den wirtschaftlichen Interessen der Airlines, die seit einigen Monaten unter den steigenden Kerosinpreisen stöhnen und ihren Passagieren sogar Treibstoffzuschläge abfordern.

Wenn die Triebwerkshersteller den Verbrauch reduzieren wollen, haben sie verschiedene Möglichkeiten. Um die neuen Tricks der Ingenieure zu verstehen, muss man sich kurz die bisherige Antriebstechnik vor Augen halten. Moderne Triebwerke arbeiten nach dem Zweistromsystem, auch »By-pass-Verfahren« genannt. In ihnen fließt der eine Teil der angesaugten Luftmenge zuerst in den rotierenden Verdichter; die komprimierte Luft gelangt dann in die Brennkammern, wo ihr Kerosin beigemischt wird; das Gemisch wird verbrannt, und die Verbrennungsgase schießen mit hoher Geschwindigkeit durch die Schubdüse nach hinten; dabei treibt der Abgasstrom eine Turbine an, die den Verdichter rotieren lässt. Der andere Teil der angesaugten Luft fließt nicht in die Brennkammern, sondern wird von einem Gebläserad weiterbewegt; dieser von einer separaten Niederdruck-Turbine an-getriebene »Fan« komprimiert die Luft und treibt sie zwischen Triebwerk und Außenhülle nach hinten (Bypass); zusammen mit den Verbrennungsgasen schießt die Luft aus der Schubdüse. Neben dem Abgasstrom sorgt also auch der »kalte« Luftstrom für den Vortrieb. Und weil die Gebläseräder sehr groß sind, können sie enorme Luftmassen nach hinten treiben – das erhöht die Schubkraft, spart Kerosin und senkt den Lärm des Triebwerks.

Fan-Antriebe gibt es schon seit fast vierzig Jahren, und sie haben ihre Effizienz bewiesen. Um diese noch zu erhöhen, also noch mehr kalte Luft für den Schub zu nutzen, wurden die Gebläseräder im Lauf der Zeit immer größer: In der Boeing 747 haben sie bereits einen Durchmesser von rund zweieinhalb Metern. In den zukünftigen Modellen Boeing 777 und Airbus A380 wird der Durchmesser sogar auf etwa drei Meter steigen. Damit erhöht sich der Anteil der kalten Luft, die für Schub sorgt, auf etwa 80 Prozent – nur noch 20 Prozent strömen in die Brennkammern und werden mit dem Kerosin verbrannt. Fachleute sprechen hier von einem »Bypass-Verhältnis« von 4:1.

Inzwischen ist die ständige Vergrößerung des Gebläserads aber an ihre technischen Grenzen gestoßen. Denn mit seinem Durchmesser steigt auch die Größe der Triebwerksverkleidung, die dadurch mehr Luftwiderstand erzeugt und außerdem schwerer wird. Und noch ein Problem zeigt sich: Wenn der Fan immer gigantischer wird, steigt die Geschwindigkeit seiner Schaufelspitzen – bis in den Überschallbereich. Dann aber verliert das Gebläserad schlagartig an Wirkung.

Weil sich die Fans nicht beliebig vergrößern lassen, um Treibstoffverbrauch und Emissionen weiter zu verringern, haben die Ingenieure neue Wege eingeschlagen. Und das heißt: Feinarbeit am Detail. Beispielsweise lässt sich der »interne Wirkungsgrad« des Antriebs da-durch erhöhen, dass alle Strömungsvorgänge effizienter gestaltet werden. So müssen sämtliche Schaufeln des Verdichters, der die einströmende Luft für die Verbrennung komprimiert, exakt geformt sein: Das reduziert schädliche Verwirbelungen. Dasselbe trifft auf die Turbinen zu, die den Verdichter bzw. den großen Fan antreiben. Hier sind die technologischen Schwierigkeiten am größten, denn die Turbinenräder müssen die extrem heißen Verbrennungsgase aushalten, die mit rund 1600 Grad Celsius aus den Brennkammern strömen. Durch diese Hitze dehnen sich die Turbinenschaufeln aus, werden länger und drohen, das Gehäuse zu berühren. Dieses Problem lösen die Triebwerkshersteller, indem das Gehäuse durch erhitzte, aus dem Verdichter abgeleitete Luft von außen erwärmt wird: So kann es sich gleichzeitig mit den Schaufeln ausdehnen, und der feine Spalt zwischen Schaufeln und Gehäuse bleibt immer gleich.

Auf der Agenda der Triebwerkshersteller steht auch eine effizientere Verbrennung des Kerosins. Sie wollen die Energieausbeute dadurch steigern, dass sie die Verbrennungstemperatur erhöhen. Aber das hat einen Haken: Bei hohen Temperaturen steigt auch die Emission von Stickoxiden, die man ja eigentlich senken will. Eine harte Nuss für die Ingenieure, die nicht so schnell geknackt ist. Bereits seit vielen Jahren arbeiten sie an speziellen Brennkammern, in denen die Luft in zwei Stufen optimal mit dem Kerosin vermischt und verbrannt wird. Andere Möglichkeit: Brennkammern, die mit einem mageren Kerosin-Luft-Gemisch auskommen. Eine Reduzierung der Stickoxide um bis zu 50 Prozent erhoffen sich die Triebwerksbauer von diesen Technologien.

Eines der interessantesten Projekte zur Senkung von Spritverbrauch und Emissionen ist jedoch ein Forschungsvorhaben, an dem mehrere Firmen beteiligt sind: der Münchner Triebwerksbauer MTU Aero Engines, die französische Firma Snecma sowie Volvo Aero, eine Tochter des schwedischen Autokonzerns. Gefördert von der EU, haben sie für 50 Millionen Euro ein Experimentaltriebwerk gebaut, das auf den beziehungsreichen Namen CLEAN (= sauber) hört: ein Kürzel für den Projektnamen »Component Validator for environmentally friendly Aero Engine«, auf Deutsch »Komponenten-Erprobungsträger für um- weltfreundliche Triebwerke«.

Die Ziele, die mit CLEAN erreicht werden sollen, klingen fast futuristisch: Der Stickoxid-Ausstoß soll um 80 Prozent sinken, der Verbrauch und die Kohlendioxid-Emissionen um nicht weniger als 20 Prozent. Das wäre ein Quantensprung auf dem Weg zum grünen Triebwerk.

In CLEAN sind zwei neue Technologien miteinander kombiniert: der »Wärmetauscher« und der »Getriebe-Fan«. Mit dem Wärmetauscher lässt sich die Energie aus den heißen Abgasen nutzen (die bisher »verloren« ging), um den internen Wirkungsgrad des Triebwerks zu erhöhen. Das Gerät besteht aus einem Bündel von dicht gepackten Röhrchen, an denen das Abgas vorbeistreicht. In den Röhrchen zirkuliert Luft, die von der Hitze erwärmt und in die Brennkammer geleitet wird: Weil zur Entzündung von erwärmtem Kerosin-Luft-Gemisch weniger Sprit notwendig ist, steigt die Energieausbeute und sinkt der Verbrauch.

Ganz neu ist diese Technologie allerdings nicht. Schon in den 1970er Jahren wurde sie in den USA erprobt, aber damals kapitulierten die Ingenieure vor dem hohen Gewicht und dem sperrigen Volumen des Wärmetauschers. MTU hat jetzt ein Konzept gefunden, das mehr Aussicht auf Erfolg verspricht: Sein Wärmetauscher ist so klein und leicht, dass er ohne große Schwierigkeiten in ein Jet-Triebwerk eingebaut werden kann.

Der zweite Clou von CLEAN ist der Getriebe-Fan, der ein Problem herkömmlicher Gebläseräder löst. Die Niederdruck-Turbine eines Triebwerks dreht sich sehr schnell; da sie mit dem Fan auf ein und derselben Welle sitzt, treibt sie diesen ebenfalls mit sehr hohem Tempo an. Das aber verträgt das große Gebläserad nicht: Läuft es zu schnell, verliert es an Wirkung. Dieses Problem lösten die Ingenieure in bisherigen Triebwerken so: Sie ließen die Turbine etwas langsamer drehen und reduzierten damit auch die Rotationsgeschwindigkeit des Fan. Doch das Ergebnis ist nur ein schlechter Kompromiss: Die Turbine läuft jetzt langsamer, als sie könnte, und das Gebläserad dreht sich immer noch schneller, als es sollte. Beide kommen nicht auf den höchsten Wirkungsgrad.

Im neuen CLEAN-Triebwerk taucht dieses Dilemma gar nicht erst auf, denn zwischen Turbine und Gebläserad sitzt ein Getriebe, das mit einer Untersetzung arbeitet. Dadurch kann die Turbine »voll aufdrehen«, ohne dass der Fan zu schnell wird – beide laufen im jeweils optimalen Drehzahlbereich, das heißt mit höchstem Wirkungsgrad. Das Bypass-Verhältnis dieses neuen Triebwerks steigt so auf über 10:1 an: Damit ist der Anteil, den die kalte Luft zum Antrieb beisteuert, mehr als zehnmal so hoch wie der Anteil des Abgasstroms – ein enormer Fortschritt. Denn es wird erheblich weniger Kerosin verbraucht, es entstehen deutlich weniger Stickoxide und Kohlendioxid, und der Lärmpegel sinkt.

Die in CLEAN erstmals erprobte Kombination von Wärmetauscher und Getriebe-Fan ist die größte Innovation, die im Triebwerksbau in den nächsten Jahren zu erwarten ist. Wie gebannt blicken die Ingenieure der beteiligten Firmen jetzt nach Stuttgart: Hier läuft das CLEAN-Triebwerk seit September 2004 auf einem Spezialprüfstand der Universität, der die Temperatur- und Druckverhältnisse in großen Höhen simuliert. Wenn bei diesen Tests tatsächlich die erwarteten enormen Reduzierungen der Abgaswerte erreicht werden, kann man davon ausgehen, dass die CLEAN-Technologien schon in der nächsten Triebwerksgeneration eingesetzt werden.

Wann die grünen Triebwerke die gesamten Emissionen des weltweiten Luftverkehrs gesenkt haben werden, lässt sich allerdings noch nicht sagen: Vom Test bis zum globalen Einsatz in den Flotten der Luftfahrtgesellschaften ist der Weg weit. Allein für die Entwicklung neuer Triebwerke gehen mindestens fünf Jahre drauf. Und auch die Ausmusterung aller alten Flugzeuge und der Ersatz durch neue mit grünen Triebwerken wird sich hinziehen: Zurzeit liefern Boeing und Airbus pro Jahr »nur« 600 bis 700 neue Modelle aus – man kann sich also ausrechnen, wann der weltweite Bestand von rund 15000 zivilen Passagierjets ausgetauscht ist.

Wenn CLEAN noch Zeit braucht, bis es wirkt: Wäre es dann möglich, dass die im Geheimen getestete Brennstoffzellen-Technologie von Boeing früher einsatzfähig ist? Leider nicht. Die meisten Experten gehen davon aus, dass man auch in Jahrzehnten wohl kein großes Flugzeug bauen kann, das ohne Kerosin auskommt. Denn dafür bräuchte man Brennstoffzellen, die viel zu groß und zu schwer wären. Und als »Kraftstoff« für die Zellen müsste Wasserstoff mitgeführt werden, der sehr große tiefgekühlte Tanks erfordert.

Dennoch wird es bald Hilfstriebwerke geben, die mit dieser Technologie arbeiten: so genannte APU (»Auxiliary Power Units«). Sie sitzen im Heck der Airliner und arbeiten im Prinzip wie kleine Jet-Triebwerke – nur wird die Leistung nicht in Schub umgesetzt, sondern in elektrische Energie und Druckluft. Damit kann ein Flugzeug am Boden mit Strom versorgt und in der Luft die Klimaanlage betrieben werden. Doch ein Elektro-Passagierjet, der mit Strom aus Brennstoffzellen fliegt, wird wohl noch lange ein Traum bleiben.